WO2017060956A1 - 形状演算装置 - Google Patents
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Abstract
形状演算装置(10)は、複数の被検出部(26)各々に応じた波長について検出される光量が複数の被検出部の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサ(12)を用いて取得された波長と光量との関係である光量情報を検出する光検出器(16)と、光量情報に基づき複数の被検出部の各々の形状に関わる演算を行う演算部(50)とを備える。形状演算装置(10)は、更に、センサに入力される光の強度、及びセンサから出力された光に基づき光検出器によって生成される電気信号、のうち少なくとも一方のダイナミックレンジを、所定の波長帯域毎に変更する制御部を含むプロセッサ部(22)を備える。
Description
本発明は、複数の被検出部各々に応じた波長について検出される光量が上記複数の被検出部の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサを用いて取得された上記波長と上記光量との関係である光量情報から、上記被検出部各々の形状を算出する形状演算装置に関する。
特許第4714570号公報(以下、特許文献1と記す)には、スコープと一体的に曲折し、スコープの形状を検出する内視鏡形状検出プローブが開示されている。この検出プローブは、曲率検出用ファイバに設けられた被検出部として、曲率に応じて光量が変化する光変調部を有している。このような構成の検出プローブは、光変調部で変調された光の強度もしくは波長と、光変調部と曲率検出用ファイバの出射端との距離と、に基づいて、スコープの形状を検出することが可能である。
また、上記特許文献1は、曲率検出用ファイバに、互いに異なる波長成分に対応した被検出部を複数個設けることで、スコープの一部分だけでなく所望の長さに亘った様々な部分の形状を検出可能とすることも開示している。
複数の被検出部は、その対応する波長成分が異なれば、発生する光量ロスは異なる。また、曲率検出用ファイバの出射端において光量を検出する検出器に関しても、波長成分毎に感度が異なっている。そのため、或る波長成分については高精度に光量を検出できるが、別の波長成分については低精度でしか光量を検出できないといったことがあり得る。従って、複数の被検出部各々の形状を正確に算出することができない虞がある。
上記特許文献1には、このような課題に対する解法は何ら記載されていない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、複数の被検出部を有するセンサから波長と光量との関係である光量情報を高精度に取得可能とし、以て被検出部各々の形状を正確に算出できる形状演算装置を提供することを目的とする。
本発明の形状演算装置の一態様は、
複数の被検出部各々に応じた波長について検出される光量が前記複数の被検出部の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサを用いて取得された前記波長と前記光量との関係である光量情報を検出する光検出器と、
前記光量情報に基づき前記複数の被検出部の各々の形状に関わる演算を行う演算部と、
前記センサに入力される光の強度、及び前記センサから出力された光に基づき前記光検出器によって生成される電気信号、のうち少なくとも一方のダイナミックレンジを、所定の波長帯域毎に変更する制御部と、
を備えることを特徴とする。
複数の被検出部各々に応じた波長について検出される光量が前記複数の被検出部の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサを用いて取得された前記波長と前記光量との関係である光量情報を検出する光検出器と、
前記光量情報に基づき前記複数の被検出部の各々の形状に関わる演算を行う演算部と、
前記センサに入力される光の強度、及び前記センサから出力された光に基づき前記光検出器によって生成される電気信号、のうち少なくとも一方のダイナミックレンジを、所定の波長帯域毎に変更する制御部と、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、複数の被検出部を有するセンサから波長と光量との関係である光量情報を高精度に取得可能とし、以て被検出部各々の形状を正確に算出できる形状演算装置を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1に示すように、本第1実施形態に係る形状演算装置10は、センサ部12と、光源部14と、光検出器16と、光分岐部18と、反射防止部材20と、プロセッサ部22と、から構成される。センサ部12は、光導通部材24と、n個の被検出部26(第1の被検出部26-1、第2の被検出部26-2、…、第nの被検出部26-n)と、反射部材28と、より構成される。
図1に示すように、本第1実施形態に係る形状演算装置10は、センサ部12と、光源部14と、光検出器16と、光分岐部18と、反射防止部材20と、プロセッサ部22と、から構成される。センサ部12は、光導通部材24と、n個の被検出部26(第1の被検出部26-1、第2の被検出部26-2、…、第nの被検出部26-n)と、反射部材28と、より構成される。
光源部14は、n個の光源30(第1の光源30-1、第2の光源30-2、第nの光源30-n)と、光結合部32と、より構成される。
各光源30は、レーザダイオード(LD)、LED、ランプ、等の光、またはこれらの光により蛍光材を発光させた光などが利用できる。これら光源30-1,30-2,…,30-nは、互いに光の周波数スペクトルが異なっている。また、光源30-1,30-2,…,30-nの光の周波数スペクトルが同じであっても、図2に示すように、各光源30の前に光の吸収率が異なる第1の光学フィルタ34-1、第2の光学フィルタ34-2、…、第nの光学フィルタ34-nを配置して、光の周波数スペクトルを変更してもよい。なお、各光源30の光強度は、プロセッサ部22より制御される。
光結合部32は、これらn個の光源30からの光を結合する。各光源の光と結合後の光強度は、図3に示すようになる。こうして、光源部14は、n個の光の組み合わせにより、形状演算装置10に必要な波長特性の光(例えば白色光)を整えて出射する。
光分岐部18は、例えばファイバカプラ、ハーフミラー、またはビームスプリッタで構成され、上記光源部14から出射された光を光導通部材24の一端に入射させる。なお、上記光分岐部18がファイバカプラの場合、光源部14とは、ファイバカプラのファイバに光を集光して入射させるレンズ系なども含めている。上記光分岐部18がハーフミラーまたはビームスプリッタの場合は、光源部14は、光を平行光に整えるレンズ系なども含めている。さらに、レーザダイオードのように戻り光が出力に影響を与える場合、光源部14は、アイソレータなども含める。
光導通部材24は、上記光分岐部18によって上記一端に入射された光を他端まで導光して、その他端から出射する。反射部材28は、上記光導通部材24の他端から出射した光を反射して、上記光導通部材24の上記他端に再び入射させる。これにより、上記光導通部材24は、この他端に入射された光を上記一端まで導光し、上記一端から出射する。上記光分岐部18は、この光導通部材24の一端から出射された光を光検出器16に入力させる。光検出器16は、入力された光のうち所定の波長の光量を検出し、波長と光量との関係である光量情報をプロセッサ部22に出力する。例えば、光検出器16は、互いに異なる波長帯域の光強度を測定する複数の画素センサで構成されたラインセンサを有することができる。
なお、反射防止部材20は、光導通部材24に入射されなかった光が光検出器16に戻るのを防ぐために使用される。
ここで、上記光導通部材24は、当該形状演算装置10により曲率情報を検出するべき構造体、例えば内視鏡の挿入部の長手軸方向に沿って延在配置され、上記構造体の湾曲状態に倣って湾曲するような可撓性を有している。
具体的には、上記光導通部材24は、光ファイバによって構成されることができる。図4は、この光ファイバの長手軸方向に直交する方向である径方向の断面構造を示している。すなわち、上記光ファイバは、中心に存在する、光を導光するコア36と、当該コア36の周りに設けられた、光を安定的にコア36に閉じ込めるクラッド38と、更にこれらコア36及びクラッド38を物理的な衝撃及び熱的な衝撃から保護するためのジャケット40と、によって構成されている。
なお、上記光導通部材24は、光ファイバに限るものではなく、光導波路によって構成されても良い。
また、上記光導通部材24には、曲率情報を検出するべき上記構造体の各位置に対応する箇所に、互いに光の吸収スペクトルが異なる被検出部26(第1の被検出部26-1、第2の被検出部26-2、…、第nの被検出部26-n)が設けられる。ここで、曲率情報は、曲げの向きと曲げの大きさの情報である。
上記光導通部材24の曲率を変えると、上記光導通部材24に導光されている光量の大きさが変化する。図5A、図5B及び図5Cは、上記光導通部材24の湾曲に応じた光伝達量の模式図を示すものである。ここで、図5Aは、上記光導通部材24を湾曲しないときの光伝達量を示し、図5Bは、上記光導通部材24を上記被検出部26が設けられた側とは反対側に湾曲したときの光伝達量を示し、図5Cは、上記光導通部材24を上記被検出部26が設けられた側に湾曲したときの光伝達量を示す。これら図5A、図5B及び図5Cに示すように、上記光導通部材24を上記被検出部26が設けられた側に湾曲したときの光伝達量が最も多く、次に上記光導通部材24を湾曲しないときの光伝達量、次に上記光導通部材24を上記被検出部26が設けられた側とは反対側に湾曲したときの光伝達量の順である。よって、上記光導通部材24から出射される光信号の光強度を測定することで、上記被検出部26における湾曲量を検出することができる。そして、上記被検出部26が設けられている上記光導通部材24における径方向の位置つまり上記被検出部26の向きが既知であるので、湾曲方向も知ることができ、この湾曲方向と上記湾曲量とにより、曲率情報が検出されることができる。
上記被検出部26は、例えば、図4に示すように、上記光導通部材24の長手軸方向の所望位置において、上記ジャケット40と上記クラッド38を除去して上記コア36の一部を露出させ、この露出させた上記コア36の部分に、特定の方向の曲がり量に応じてこれに入射した光のスペクトルに対して、他の被検出部26とは異なる光学的な影響を与える光学特性変化部材で構成される被検出部材42を、光導通部材24の元の形状が回復される程度の厚みに形成したものである。上記被検出部材42は、柔軟性のある部材もしくは弾性のある材料、例えば、アクリル系、エポキシ系、シリコン系、フッ素系などの樹脂、軟性の水ガラス、などの低屈折率の材料でなる。なお、上記被検出部材42は、略クラッド厚程度に形成し、この被検出部材42上の上記ジャケット40と上記クラッド38とを除去した部分に対してジャケット様の部材を満たすことで、光導通部材24の元の形状が回復されるようにしても良い。
なお、上記ジャケット40及び上記クラッド38の除去は、レーザ加工によって、あるいは、フォト工程及びエッチング工程などを利用して行う。このとき、上記コア36にミクロな傷を付けてしまうと、光を漏らし、導光する光を損失させてしまったり、曲げに弱くなったりしたりするので、上記コア36に極力傷を付けない方法で加工することが望ましい。
被検出部材42を構成する光学特性変化部材としては、各被検出部26において、図6に示すように、光吸収スペクトルが異なる光吸収体とすることができる。すなわち、各被検出部26において、所定の波長域が吸収されることで、当該波長の光量を検出すれば、その光量に基づいて当該被検出部26の湾曲量を求めることができる。
あるいは、上記被検出部材42は、所定の波長域の光を吸収する、金属粒子からなる光学特性変化部材によって構成しても良い。この金属粒子からなる光学特性変化部材は、当該金属固有の分光吸収スペクトルとは異なる特殊分光吸収スペクトルを有するものである。例えば、この金属粒子からなる光学特性変化部材は、少なくとも1種類の光源の光でプラズモンを励起可能な光励起プラズモン生成機能を有する。すなわち、金属固有の分光吸収スペクトルと、表面プラズモン効果による特殊吸収スペクトルの和を吸収スペクトルとして有する金属ナノ粒子である。光励起プラズモン生成機能は、少なくとも1種類のプラズモン物質、ナノサイズ化した物質、ナノサイズ化した鉱物、ナノサイズ化した金属、の何れかで構成される。ここで、プラズモン物質とは、自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子として振舞っている状態を有する物質である。また、ナノサイズとは1μmより小さいという意味である。金属粒子は、例えばAu、Ag、Cu、Pt、等であり、分散媒である。金属粒子の形状は、球または円柱または多角柱である。
光励起プラズモン生成機能は、同じ光学特性変化部材、例えば同じ金属粒子であっても、その大きさ、長さ、及び厚みの少なくとも一つが異なると、特殊分光吸収スペクトルが異なる。例えば、粒子サイズが大きくなるにつれて、光の吸収率のピーク波長(吸収波長特徴領域)が長波長側に移動していく。従って、複数の被検出部26は、光学特性変化部材として、同じ金属元素で異なる特殊分光吸収スペクトルを有する組み合わせがある。
また、光励起プラズモン生成機能は、別の光学特性変化部材、例えば別の金属粒子であれば、特殊分光吸収スペクトルが異なる。
さらに、複数の金属粒子を混合した複合光学特性変化部材とすることも可能である。
従って、複数の光学特性変化部材、例えば複数の金属粒子を、それぞれ大きさ、長さ、及び厚みの少なくとも一つを異ならせて使用することで、互いに異なる特殊分光吸収スペクトルを有する被検出部材42が実現でき、他の被検出部26とは異なる光学的な特性変化を与える被検出部26を多数形成することが可能となる。
また、光学特性変化部材としては、例えば、積層誘電体膜を有する光学特性変化部材、蛍光体を有する光学特性変化部材、グレーティング構造を有する光学特性変化部材、等であっても良い。
以上のような構成の形状演算装置10では、光源部14から光分岐部18を通じて光導通部材24に光が入射される。入射された光は、光導通部材24先端の反射部材28より反射される。反射された光は、光分岐部18を通じて光検出器16へ受光される。光検出器16が受光する光は、被検出部26(第1の被検出部26-1、第2の被検出部26-2、…、第nの被検出部26-n)を通過した光であり、光導通部材24の曲率に応じて異なる。光検出器16が受光した各被検出部26に関する波長の光量が光量情報(Dλn)としてプロセッサ部22に与えられ、プロセッサ部22は、この光量情報に基づいて曲率情報を算出する。
プロセッサ部22は、図7に示すように、入力部44と、制御部46と、光源駆動部48と、光検出器駆動部50と、出力部52と、記憶部54と、曲率演算部56と、形状演算部58と、を備える。プロセッサ部22は、例えば、コンピュータによって構成することができる。
入力部44は、当該プロセッサ部22の外部から与えられる入力データを受け取り、制御部46及び曲率演算部56に適宜供給する。具体的には、入力部44には、光検出器16より図示しないAD変換器でデジタルデータ化されたセンサ部12の各波長の検出信号が入力される。さらに、入力部44には、光検出器16から露光終了信号も入力される。また、入力部44には、入力機器60から曲率導出開始信号、曲率導出終了信号、センサ識別情報、曲率演算部56の設定に関する信号、等が入力される。入力機器60は、曲率導出の開始/終了を指示するためのスイッチまたは釦を含む。また、表示部62に表示されたメニューや選択項目に対して情報を入力することで、センサ部12の種別や曲率演算部56の設定を行うためのキーボードを含む。さらには、無線または有線によるネットワークを介して外部から情報を入力する通信機器を含むこともできる。
制御部46は、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを変更することで、光量情報の分解能を向上する機能を果たすものである。この制御部46は、判定部64と可変量設定部66とを備える。判定部64は、光検出器16より露光終了信号を入力部44が取得したとき、光検出器16の検出信号の大きさがどのような状態であるかを判定する。具体的には、判定部64は、光検出器16からの各波長の光量情報が検出下限に関する閾値(下限閾値)と検出上限に関する閾値(上限閾値)の範囲以内に収まっているかを判定し、閾値の範囲外に光量情報があった際は、ダイナミックレンジの変更を行うと判定する。そして、ダイナミックレンジの変更を行う場合には、第1の光源30-1、第2の光源30-2、…、第nの光源30-nの中で、閾値範囲外の波長帯域に近い光源の光量を変更し、上限閾値と下限閾値の範囲内に光検出器16の光量情報を戻すよう可変量設定部66を変更する。可変量設定部66は、光源駆動部48を通じて光源部14の各光源30の光強度の設定を変更する。
なお、この判定部64で用いるための上限閾値及び下限閾値は、記憶部54に予め記憶されている。あるいは、入力機器60から上限閾値及び下限閾値を入力して記憶部54に記憶させるようにしても良い。すなわち、入力機器60を、判定部64での判定に関わる情報の変更を指示する指示部として用いることができる。
光源部14は、n個の光源30それぞれが出射する光の強度を変更するn個の電流調整機能部68(第1の電流調整機能部68-1、第2の電流調整機能部68-2、…、第nの電流調整機能部68-n)を備える。光源駆動部48は、可変量設定部66によって設定された光強度の情報を、出力部52を介して光源部14の各電流調整機能部68に送信する。各電流調整機能部68は、この光源駆動部48からの光強度の情報に従った駆動電流でLD等の第1の光源30-1、第2の光源30-2、第nの光源30-nを駆動することで、センサ部12に入力される光の強度を調整することができる。
また、制御部46は、光検出器駆動部50を通じて光検出器16の動作を制御する。具体的には、入力部44が入力機器60から曲率導出開始信号を受信したとき、制御部46の可変量設定部66が、光検出器駆動部50を通じて光検出器16の露光時間及び感度の初期設定を行う。これにより、光検出器16は、その初期設定された露光時間及び感度で、センサ部12からの各波長の検出信号の検出を行う。
記憶部54は、使用可能なセンサ部12の種類毎に、光検出器16及び光源部14の各種設定に応じた曲率特性情報を予め記憶している。
曲率演算部56は、入力部44からの検出信号と、入力機器60から入力部44に入力されるセンサ識別情報に対応する記憶部54に格納されている光検出器16及び光源部14の各光源30の各種設定に応じた曲率特性情報と、に基づいて、センサ部12の各被検出部26(第1の被検出部26-1、第2の被検出部26-2、…、第nの被検出部26-n)の曲率情報を算出する。曲率演算部56は、算出した各被検出部26の曲率情報を形状演算部58に送信する。
形状演算部58は、各被検出部26の曲率情報を、内視鏡の挿入部等の構造体の形状情報へ変換する。形状演算部58は、この構造体の形状情報を、出力部52を通じて表示部62へ送信する。
表示部62は、構造体の形状情報を表示する。
以下、本第1実施形態に係る形状演算装置10のプロセッサ部22の動作を、図8のフローチャートを参照して、さらに説明する。
入力部44が入力機器60から曲率導出開始信号を受信すると、このフローチャートの動作が開始され、まず、制御部46は、可変量設定部66から光源駆動部48及び光検出器駆動部50へ初期設定を送信すると共に、記憶部54から上限閾値及び下限閾値の情報を読み出して判定部64へ送信する(ステップS101)。この可変量設定部66からの初期設定に従って、光源駆動部48及び光検出器駆動部50は、当該光源駆動部48及び光検出器駆動部50の設定を変更し、その設定された情報を出力部52を通じて光源部14及び光検出器16へ送信する。これにより、光源部14の各光源30の光強度と、光検出器16の露光時間及び感度との設定が初期状態に設定される。
このように初期設定がなされることで、光源部14から光の出射が開始されて、光検出器16がセンサ部12からの光における各波長の光量検出を開始する(ステップS102)。検出された光量情報は、入力部44に入力され、入力部44内に構成した不図示のメモリ、あるいは、記憶部54に記憶される。
光検出器16は、全波長の光量を検出し終えたならば、露光終了信号を出力する。そこで、入力部44が光検出器16から、この露光終了信号を受信すると(ステップS103)、制御部46の判定部64は、構造体の湾曲状態に倣って湾曲するセンサ部12の光導通部材24の形状変更に伴って変化する光検出器16からの検出信号が、上限閾値を超えたか否かを判定する(ステップS104)。なお、この上限閾値は、光検出器16の測定限界より僅かに小さい値であることが望ましい。
例えば、図9Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち上限閾値を超えたもの(例えば光量情報Dλa)が有った場合、すなわち光検出器16の検出信号のうち曲率演算に使用する各波長の光強度の何れかが上限閾値を超えた場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。
このような曲率演算に使用する光量情報の少なくとも一つが上限閾値を超えたことを示す情報を受けると、可変量設定部66は、図9Bに示すように、その上限閾値を超えた波長の検出信号が小さくなるように、当該波長の波長帯域に対応する光源30の光量を低くする設定変更を行う(ステップS105)。すなわち、可変量設定部66は、光源部14のn個の電流調整機能部68のうち、上限閾値を超えた波長の波長帯域の光源30に対応する電流調整機能部68の設定を光検出器16の検出信号が小さくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。
このようにして、ステップS102、ステップS103、ステップS104、及びステップS105でなるルーチンAが繰り返されることができる。すなわち、設定変更後も上限閾値を超える波長が存在する際は、当該波長の光検出器16の検出信号が更に小さくなるように、光源部14の対応する電流調整機能部68の設定が光源駆動部48を通じて変更される。このように、光検出器16の検出信号を最適な設定で取得できるよう、光源部14の各電流調整機能部68の設定変更が適宜行われることができる。
一方、上記ステップS104において、判定部64が、光検出器16からの検出信号が上限閾値を超えていないと判定した場合には、判定部64は、更に、光検出器16からの検出信号が下限閾値より小さいか否かを判定する(ステップS106)。
例えば、図10Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち下限閾値を下回ったもの(例えば光量情報Dλb)が有った場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。これを受けて、可変量設定部66は、図10Bに示すように、その下限閾値を下回った波長の検出信号が大きくなるように、当該波長の波長帯域に対応する光源30の光量を大きくする設定変更を行う(ステップS107)。すなわち、可変量設定部66は、光源部14のn個の電流調整機能部68のうち、下限閾値を下回った波長の波長帯域の光源30に対応する電流調整機能部68の設定を光検出器16の検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。これにより、例えば、上記ステップS105で光検出器16の検出信号が小さくなるように設定変更した結果、光検出器16の検出信号が下限閾値を下回ってしまうようになった際は、一段階前の設定に戻るように、光源部14の設定を変更することができる。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。
このようにして、ステップS102、ステップS103、ステップS104、ステップS106、及びステップS107でなるルーチンBが繰り返されることができる。すなわち、設定変更後も下限閾値を下回る波長が存在する際は、当該波長の光検出器16の検出信号が更に大きくなるように、光源部14の対応する電流調整機能部68の設定が光源駆動部48を通じて変更される。このように、光検出器16の検出信号を最適な設定で取得できるよう、光源部14の各電流調整機能部68の設定変更が適宜行われることができる。
そして、上記ステップS104において、判定部64が、光検出器16からの検出信号が上限閾値を超えていないと判定し、且つ、上記ステップS106において、判定部64が、光検出器16からの検出信号が下限閾値を下回っていないと判定した場合には、曲率演算部56は、記憶部54から、光源部14及び光検出器16の設定に応じた曲率特性情報を取得する(ステップS108)。すなわち、曲率演算部56は、制御部46の可変量設定部66からの光源部14の各電流調整機能部68の設定情報と、光検出器16の露光時間及び感度の設定情報とに基づいた曲率特性情報を、記憶部54から取得する。そして、曲率演算部56は、取得した光検出器16の検出信号とこの曲率特性情報とを基に、各被検出部26の曲率を算出する(ステップS109)。
形状演算部58は、曲率演算部56で算出した被検出部26の曲率と、先見情報である被検出部26の位置情報とを基に、構造体の形状を作成する(ステップS110)。そして、形状演算部58は、この作成した構造体の形状を、出力部52を介して表示部62にて表示する(ステップS111)。
その後、上記ステップS101からの動作が繰り返される。
このようにして、ステップS102乃至ステップS111でなるルーチンCが繰り返される。これにより、構造体の変位に応じた構造体の形状を表示部62に更新表示していくことができる。
そして、以上のようなルーチンAまたはルーチンBまたはルーチンCの実行中に、入力部44が入力機器60から曲率導出終了信号を受信すると(ステップS120)、このフローチャートの処理が終了される。
なお、光検出器16からの検出信号が閾値範囲を超えた波長帯域に対応する光源30の光量を調整することで閾値範囲内に光量を制御するものとしたが、図11に示すように、閾値を設けずに、形状推定に使用する波長領域全体について光検出器16からの検出信号が常に一定値になるように、光源部14の各光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を調整するようにしても良い。
以上のように、本第1実施形態に係る形状演算装置10は、複数の被検出部26各々に応じた波長について検出される光量が複数の被検出部26の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサ部12を用いて取得された波長と光量との関係である光量情報を検出する光検出器16と、光量情報に基づき複数の被検出部26の各々の形状に関わる演算を行う曲率演算部56と、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを、所定の波長帯域毎に変更する制御部(波長帯域毎の分解能向上機能)46と、を備える。
このような形状演算装置10は、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更することで、複数の被検出部26を有するセンサ部12から波長と光量との関係である光量情報を高精度に取得することができるようになるので、被検出部26各々の形状を正確に算出できるようになる。
ここで、形状演算装置10は、互いに独立して、射出する光の光強度を変更可能な複数の光源30-1、30-2、…、30-nをさらに備え、制御部46は、これら複数の光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを変更する。
なお、上記複数の光源30-1、30-2、…、30-nは、光の周波数スペクトルが互いに異なっている。例えば、上記複数の光源30-1、30-2、…、30-nは、光の周波数スペクトルが互いに異なっているレーザ光源を少なくとも1つ含むことができる。あるいは、上記複数の光源30-1、30-2、…、30-nは、光の周波数スペクトルが同じであっても、波長帯域毎に光量の強度を変更する強度変更部を有していても良い。この強度変更部は、上記複数の光源30-1、30-2、…、30-nからセンサ部12に向かう光路上に配置される。この強度変更部としては、光学フィルタ34-1、34-2、…、34-nを用いることができる。この場合、これら光学フィルタ34-1、34-2、…、34-nの吸光度は、センサ部12の被検出部26-1、26-2、…、26-nに用いている吸光度と同じとすることができる。
また、これら複数の光源30-1、30-2、…、30-nまたは強度変更部は、形状推定に使用する波長領域全体を網羅できるよう光の周波数スペクトルが異なっている。
また、上記複数の光源30-1、30-2、…、30-nまたは強度変更部は、形状推定に使用する複数の光の周波数の光強度を十分に変更できるよう光の周波数スペクトルが異なっている。
なお、制御部46は、光検出器16の測定結果が上限閾値を超えた際または下限閾値を下回った際に、複数の光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジの変更を行う。
また、制御部46は、光検出器16の測定結果が一定になるように、複数の光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジの変更を行う。
なお、形状演算装置10は、光を射出する複数の光源30-1、30-2、…、30-nを含む光源部14と、上記センサ部12と、をさらに備えることができる。ここで、センサ部12は、光源部14から射出された光を導光する導光部材である光導通部材24と、光導通部材24に設けられた光学特性変化部材で構成される複数の被検出部材42であって光導通部材24によって導光される光のスペクトルに対して互いに異なる影響を与える複数の被検出部材42の各々を含む複数の被検出部26と、を含む。そして、光検出器16は、光導通部材24によって導光される光であって、複数の被検出部材42によって影響を受けた光を検出し、光量情報を出力する。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態を説明する。ここでは、前述の第1実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。ここでは、前述の第1実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
第1実施形態に係る形状演算装置10では、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する例である。これに対して、本第2実施形態に係る形状演算装置10は、センサ部12から出力された光に基づき光検出器16によって生成される電気信号である光検出器16の検出信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する例である。
そこで、本実施形態に係る形状演算装置10は、図12に示すように、光源部14は1つの光源30のみを有する。また、光検出器16は、複数の画素センサ72で構成されたラインセンサ70を有する。ラインセンサ70の各画素センサ72は、互いに異なる波長帯域の光強度を測定する。
また、光検出器16は、図13に示すように、各画素センサ72の露光時間を変更する各画素露光時間調整機能部74を備える。あるいは、光検出器16は、光検出器16のチャージアンプ回路(図示せず)のゲイン設定を各画素センサ72の出力タイミングに応じて変更することで各画素センサ72の感度を変更する各画素感度調整機能部76を備えることができる。プロセッサ部22の制御部46は、光検出器16からの検出信号が閾値範囲を超えた波長帯域に対応する画素センサ72の露光時間または感度を変更するような設定情報を、光検出器駆動部50及び出力部52を介して各画素露光時間調整機能部74または各画素感度調整機能部76に送信する。本第2実施形態に係る形状演算装置10は、このようにして各画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16の検出信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。
以下、本第2実施形態に係る形状演算装置10のプロセッサ部22の動作を、図14のフローチャートを参照して説明する。
入力部44が入力機器60から曲率導出開始信号を受信すると、このフローチャートの動作が開始される。このフローチャートに示す動作は、基本的に、第1実施形態と同様であり、ルーチンA中のステップS105をステップS201に置換し、ルーチンB中のステップS107をステップS202に置換した点が異なっているだけである。
すなわち、ステップS104において、制御部46の判定部64が、例えば、図15Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち上限閾値を超えたもの(例えば光量情報Dλa)が有ったと判定した場合、すなわち光検出器16の検出信号のうち曲率演算に使用する各波長の光強度の何れかが上限閾値を超えたと判定した場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。
このような曲率演算に使用する光量情報の少なくとも一つが上限閾値を超えたことを示す情報を受けると、可変量設定部66は、図15Bに示すように、その上限閾値を超えた波長の検出信号が小さくなるように、ラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち当該波長の波長帯域に対応する画素センサ72aの露光時間を短くする設定変更を行う(ステップS201)。すなわち、可変量設定部66は、光検出器16のラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち、光量情報が上限閾値を超えた波長の波長帯域を測定する画素センサ72aの露光時間の設定を当該画素センサ72aの検出信号が小さくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素露光時間調整機能部74へ送信する。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。
なお、ステップS201においては、露光時間を短縮するのではなく、感度を下げるものであっても良い。すなわち、可変量設定部66は、光検出器16のラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち、光量情報が上限閾値を超えた波長の波長帯域を測定する画素センサ72aの感度の設定を当該画素センサ72aの検出信号が小さくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素感度調整機能部76へ送信するようにしても良い。
また、ステップS106において、制御部46の判定部64が、例えば、図16Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち下限閾値を下回ったもの(例えば光量情報Dλb)が有ったと判定した場合、すなわち光検出器16の検出信号のうち曲率演算に使用する各波長の光強度の何れかが下限閾値を下回ったと判定した場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。
このような曲率演算に使用する光量情報の少なくとも一つが下限閾値を下回ったことを示す情報を受けると、可変量設定部66は、図16Bに示すように、その下限閾値を下回った波長の検出信号が大きくなるように、ラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち当該波長の波長帯域に対応する画素センサ72bの露光時間を長くする設定変更を行う(ステップS202)。すなわち、可変量設定部66は、光検出器16のラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域を測定する画素センサ72bの露光時間の設定を当該画素センサ72bの検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素露光時間調整機能部74へ送信する。ただし、画素センサ72毎に、設定可能な露光時間の上限時間が有り、可変量設定部66は、その上限時間以上の露光時間となるような変更は行わない。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。
なお、ステップS202においては、露光時間を長くするのではなく、感度を上げるものであっても良い。すなわち、可変量設定部66は、光検出器16のラインセンサ70の複数の画素センサ72のうち、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域を測定する画素センサ72bの感度の設定を当該画素センサ72bの検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素感度調整機能部76へ送信するようにしても良い。
また、上記ステップS202において、画素センサの露光時間または感度の変更は、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域を測定する画素センサ72bだけでなく、図16Cに示すように、その波長帯域周辺の波長帯域を測定する画素センサ72b-1、72b+1についても行うようにしても良い。すなわち、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域の周辺の波長帯域においても、下限閾値には達していないがそれに近い値であるので、それら周辺の波長帯域を測定する画素センサについても同様に、露光時間または感度を変更することが望ましい。これは、ステップS201における光量情報が上限閾値を超えた場合の画素センサの露光時間または感度の変更についても同様である。光量情報のレベルが低い方が検出精度が劣るため、ステップS202においてこのようにすることの方が、ステップS201において行うよりも有効である。
また、図17に示すように、光検出器16の検出信号が一定の目標値になるように、各画素露光時間調整機能部74または各画素感度調整機能部76により、ラインセンサ70における形状推定に使用する波長領域全体に対応する画素センサ72の全ての露光時間または感度を変更しても良い。
あるいは、図18Aに示すように光量情報(例えば光量情報Dλb)が下限閾値を下回った場合、制御部46の可変量設定部66は、光検出器16の各画素露光時間調整機能部74または各画素感度調整機能部76の設定を変更するのではなく、図18Bに示すように、その下回った波長の波長帯域を測定する画素センサ72bのデータを複数回合算することで、光検出器16の検出信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更するようにしても良い。このデータの合算により、データは累積していくが、白色ノイズのようなランダムノイズは相殺する。
以上のよう、本第2実施形態に係る形状演算装置10は、センサ部12から出力された光に基づき光検出器16によって生成される電気信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更することで、複数の被検出部26を有するセンサ部12から波長と光量との関係である光量情報を高精度に取得することができるようになるので、被検出部26各々の形状を正確に算出できるようになる。
すなわち、光検出器16は、それぞれ異なる波長の光量を測定する複数の画素センサ72を有し、制御部46は、それら複数の画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16の検出信号である電気信号のダイナミックレンジを所定の波長帯域毎に変更する。
この場合、制御部46は、光検出器16の測定結果が、予め設定された上限閾値と下限閾値との間に収まるよう、画素センサ72毎に、露光時間または感度を変更する。さらに、制御部46は、上限閾値を超えた波長または下限閾値を下回った波長に対応する画素センサ72だけでなく、当該波長周辺の波長に対応する画素センサ72の露光時間または感度も変更するようにしても良い。
なお、画素センサ72毎に、設定可能な露光時間の上限時間が有るので、制御部46は、その上限時間以上の露光時間の変更を行わない。
また、光検出器16は、それぞれ異なる波長の光量を測定する複数の画素センサ72を有し、制御部46は、画素センサ72毎に、測定結果の合算回数を変更することで、光検出器16の検出信号である電気信号のダイナミックレンジを所定の波長帯域毎に変更するようにしても良い。
なお、制御部46は、光検出器16の測定結果が上限閾値を超えた際または下限閾値を下回った際に、その波長の光量を測定する複数の画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16の検出信号である電気信号のダイナミックレンジの変更を行う。
また、制御部46は、光検出器16の測定結果が一定になるように、複数の画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16の検出信号である電気信号のダイナミックレンジの変更を行うようにしても良い。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態を説明する。ここでは、前述の第1実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。ここでは、前述の第1実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本第3実施形態に係る形状演算装置10は、前述の第1実施形態に係る形状演算装置10と同様、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する例である。
光源部14は、第1実施形態では複数の光源30-1、30-2、…、30-nを有していたが、本第3実施形態では、図19に示すように、1つの光源30のみを有する。そして、光源部14は、この1つの光源30と光分岐部18との間に、互いに異なる波長の光を透過する複数の光学フィルタが搭載された可動式光学フィルタ78をさらに備えている。
可動式光学フィルタ78は、図20に示すように、回転軸82を軸として回転する回転板80を有する回転式可動光学フィルタである。回転板80には、光の吸収率がそれぞれ異なる複数の光学フィルタ84(第1の光学フィルタ84-1、第2の光学フィルタ84-2、…、第nの光学フィルタ84-n)が、回転軸82を中心とする同一円上に配置されている。そして、可動式光学フィルタ78は、回転軸82を軸として回転板80が回転することで、複数の光学フィルタ84のうちの1つが、光源30から光分岐部18に向かう光路上に順次に配置されるように、光源部14内に配置される。これにより、各光学フィルタ84は、1つの光源30からの光の互いに異なる特定の波長だけを通過させて、光分岐部18を介してセンサ部12に入力させることができる。
さらに、光源部14は、可動式光学フィルタ78の回転板80を回転させるためのアクチュエータ86と、回転板80の回転状態を測定するための回転量測定器88(例えば、パルスエンコーダ等)と、を有している。アクチュエータ86は、図21に示すように、光源駆動部48及び出力部52を介して、プロセッサ部22の制御部46により制御される。また、回転量測定器88の測定結果である回転量情報は、プロセッサ部22の入力部44を介して制御部46に入力される。制御部46は、この回転量測定器88からの回転量情報に基づいて、複数の光学フィルタ84のうちの何れが、光源30から光分岐部18に向かう光路上に配置されているのかを知ることかできる。なお、回転量測定器88は、回転板80の回転量を直接的に検出するものに限らず、アクチュエータ86の駆動量等から間接的に回転板80の回転量を測定するものであっても構わない。
また、第1実施形態に係る形状演算装置10は、光導通部材24に入射されなかった光が光検出器16に戻るのを防ぐための反射防止部材20を備えている。これに対して、本第3実施形態に係る形状演算装置10では、図20に示すように、その反射防止部材20に代えて、光検出器90が設けられている。この光検出器90の検出結果は、図21に示すように、プロセッサ部22の入力部44を介して制御部46に入力される。制御部46は、この光検出器90の検出結果に基づいて、光導通部材24に入射される、つまり、センサ部12へ入力される、光の強度を確認することができる。なお、この光検出器90は必須ではない。
そして、制御部46の可変量設定部66は、光検出器16からの光量情報つまり波長毎の検出信号に応じて、光源部14の光源30からの光の光路が、閾値範囲外の波長周辺の光量を透過する光学フィルタ84を通過する際、閾値範囲外の光量を閾値内に戻すように、光源30の光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを変更する。あるいは、光源30の光強度を変更するのではなく、アクチュエータ86による可動式光学フィルタ78の回転板80の回転速度を変更し、当該波長の光の入力時間を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを変更するものとしても良い。
なお、本実施形態では、可動式光学フィルタ78を回転式可動光学フィルタとしたが、所望のフィルタ切り替えが実現できる可動式のフィルタであれば、回転型でなくても良いことは勿論である。
以下、本第3実施形態に係る形状演算装置10のプロセッサ部22の動作を、図22のフローチャートを参照して説明する。
入力部44が入力機器60から曲率導出開始信号を受信すると、このフローチャートの動作が開始される。このフローチャートに示す動作は、基本的に、第1実施形態と同様であり、ルーチンA中のステップS102及びステップS105をステップS301及びステップS301に置換し、ルーチンB中のステップS107をステップS303に置換した点が異なっているだけである。
すなわち、ステップS101で初期設定がなされた後、第1実施形態同様、制御部46は、光源駆動部48を通じて光源部14から光の出射を開始させ、光検出器駆動部50を通じて光検出器16がセンサ部12からの光における各波長の光量検出を開始する。またこれと共に、制御部46は、回転量測定器88から回転量の値である回転量情報の読み取りを開始し、光源駆動部48を通じてアクチュエータ86による可動式光学フィルタ78の駆動を開始する(ステップS301)。光検出器16によって検出された光量情報及び回転量測定器88によって測定された回転量情報は、入力部44に入力され、入力部44内に構成した不図示のメモリ、あるいは、記憶部54に記憶される。
そして、ステップS104において、制御部46の判定部64が、例えば、図23Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち上限閾値を超えたもの(例えば光量情報Dλa)が有ったと判定した場合、すなわち光検出器16の検出信号のうち曲率演算に使用する各波長の光強度の何れかが上限閾値を超えたと判定した場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。
このような曲率演算に使用する光量情報の少なくとも一つが上限閾値を超えたことを示す情報を受けると、可変量設定部66は、図23Bに示すように、その上限閾値を超えた波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在するとき、光源30の光量を低くする設定変更を行う(ステップS302)。すなわち、可変量設定部66は、光量情報が上限閾値を超えた波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる光学フィルタ84に対応するタイミングで、光源30の図示しない電流調整機能部の設定を、光検出器16の検出信号が小さくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。このように光源30の光量を低くすることで、図23Cに示すように、上限閾値を超えていた光量情報が上限閾値より小さくなる。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。
なお、図23Bは、図面の簡略化のため、n個の光学フィルタ84のうちの第1~第3の光学フィルタ84-1~84-3に対応する部分のみを示している。回転量情報は、例えば第1の光学フィルタ84-1が光源30の光路上に入ったときの回転角度を0度として、アクチュエータ86によって可動式光学フィルタ78が等速駆動されることで、リニアに回転角度が増加していっている。回転量情報と複数の光学フィルタ84との関係を例えば記憶部54に記憶しておくことで、制御部46は、回転量測定器88からの回転量情報により、何れの光学フィルタ84が光源30の光路上に存在するか判定することができる。
さらに、光検出器90を備える場合には、制御部46は、センサ部12に入力される光の強度が所望の値になっているかを、光検出器90の検出結果により確認しつつ、光源30の光強度を制御することができる。
また、ステップS106において、制御部46の判定部64が、例えば、図24Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち下限閾値を下回ったもの(例えば光量情報Dλb)が有ったと判定した場合、すなわち光検出器16の検出信号のうち曲率演算に使用する各波長の光強度の何れかが下限閾値を下回ったと判定した場合、判定部64は、そのことを示す情報を可変量設定部66に出力する。
このような曲率演算に使用する光量情報の少なくとも一つが下限閾値を下回ったことを示す情報を受けると、可変量設定部66は、図24Bに示すように、その下限閾値を下回った波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在するとき、光源30の光量を大きくする設定変更を行う(ステップS303)。すなわち、可変量設定部66は、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる光学フィルタ84に対応するタイミングで、光源30の図示しない電流調整機能部の設定を、光検出器16の検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。このように光源30の光量を大きくすることで、図24Cに示すように、下限閾値を下回っていた光量情報が下限閾値より大きくなる。そして、動作は、上記ステップS102の処理に戻る。なお、図24Bは、図23Bと同様に、図面の簡略化のため、n個の光学フィルタ84のうちの第1~第3の光学フィルタ84-1~84-3に対応する部分のみを示している。
また、ステップS302及びステップS303において、光源30の光強度を変更するのではなく、各光学フィルタ84が光源30の光路上を通過する速度、例えば可動式光学フィルタ78の回転板80の回転速度、を制御するようにしても良い。
すなわち、図25Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち上限閾値を超えたもの(例えば光量情報Dλa)が有った場合、ステップS302においては、可変量設定部66は、図25Bに示すように、その上限閾値を超えた波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在する時間を短くすることで、光導通部材24に入射されるその波長の波長帯域の光の光量を低くする設定変更を行う。すなわち、可変量設定部66は、光量情報が上限閾値を超えた波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる光学フィルタ84が、光量情報が上限閾値を超えていない波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる他の光学フィルタ84よりも早く光源30の光路上から外れるように、アクチュエータ86が駆動する可動式光学フィルタ78の回転板80の回転速度を高速にすることで、光検出器16の検出信号が小さくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。このようなアクチュエータ86による光学フィルタ84の光源光路上の通過速度の高速化により、図25Cに示すように、上限閾値を超えていた光量情報が上限閾値より小さくなる。
また、図26Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち下限閾値を下回ったもの(例えば光量情報Dλb)が有った場合、ステップS303においては、可変量設定部66は、図26Bに示すように、その下限閾値を下回った波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在する時間を長くすることで、光導通部材24に入射されるその波長の波長帯域の光の光量を大きくする設定変更を行う。すなわち、可変量設定部66は、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる光学フィルタ84が、光量情報が下限閾値を下回っていない波長の波長帯域の光を光導通部材24に入射させる他の光学フィルタ84よりも長く光源30の光路上に留まるように、アクチュエータ86が駆動する可動式光学フィルタ78の回転板80の回転速度を低速にすることで、光検出器16の検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光源駆動部48へ送信する。このようなアクチュエータ86による光学フィルタ84の光源光路上の通過速度の低速化により、図26Cに示すように、下限閾値を下回っていた光量情報が下限閾値よりも大きくなる。
なお、図25B及び図26Bは、図23Bと同様に、図面の簡略化のため、n個の光学フィルタ84のうちの第1~第3の光学フィルタ84-1~84-3に対応する部分のみを示している。
また、閾値範囲外の光量を閾値内に戻すように、光源30の光強度または可動式光学フィルタ78の光学フィルタ84の光源光路上の通過速度を変更するのではなく、前述の第1実施形態で説明したように、閾値を設けずに、形状推定に使用する波長領域全体について光検出器16からの検出信号が常に一定値になるように、光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度を調整するようにしても良い。
以上のように、本第3実施形態に係る形状演算装置10は、互いに異なる波長の光を透過する複数の光学フィルタ84が搭載された可動式光学フィルタ78をさらに備えることで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更することができ、複数の被検出部26を有するセンサ部12から波長と光量との関係である光量情報を高精度に取得して、被検出部26各々の形状を正確に算出できるようになる。
なお、可動式光学フィルタ78としては、回転軸82を有している回転式可動光学フィルタを用いることができる。
ここで、形状演算装置10は、光を射出する1個の光源30をさらに備え、制御部46は、光源30からセンサ部12に向かう光路上に配置されている光学フィルタ84毎に、光源30の光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを所定の波長帯域毎に変更することができる。
あるいは、形状演算装置10は、可動式光学フィルタ78を駆動するアクチュエータ86をさらに備え、制御部46は、可動式光学フィルタ78に搭載されている光学フィルタ84毎に異なる速度で駆動するようアクチュエータ86を制御することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを変更することができる。
なお、制御部46は、光検出器16の測定結果が上限閾値を超えた際または下限閾値を下回った際に、光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジの変更を行う。
また、制御部46は、光検出器16の測定結果が一定になるように、光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジの変更を行う。
[第4実施形態]
前述したように、第1実施形態に係る形状演算装置10では、複数の光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。また、第2実施形態に係る形状演算装置10では、光検出器16の各画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16によって生成される電気信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。そして、第3実施形態に係る形状演算装置10では、1個の光源30と可動式光学フィルタ78を用いることで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。
前述したように、第1実施形態に係る形状演算装置10では、複数の光源30-1、30-2、…、30-nの光強度を変更することで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。また、第2実施形態に係る形状演算装置10では、光検出器16の各画素センサ72の露光時間または感度を変更することで、光検出器16によって生成される電気信号のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。そして、第3実施形態に係る形状演算装置10では、1個の光源30と可動式光学フィルタ78を用いることで、センサ部12に入力される光の強度のダイナミックレンジを波長帯域毎に変更する。
これら第1乃至第3実施形態で説明したようなダイナミックレンジの変更の方法は、二つ以上を組み合わせることが可能である。
一例として、第2実施形態と第3実施形態との組み合わせを、第4実施形態として以下で説明する。ここでは、前述の第2及び第3実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本第4実施形態に係る形状演算装置10の基本的な構成は、図27に示すように、第3実施形態のそれと同様である。また、光検出器16は、互いに異なる波長帯域の光強度を測定する複数の画素センサ72で構成されたラインセンサ70を有する。ここで、1つの画素センサ72は、可動式光学フィルタ78の1つの光学フィルタ84と対応している。すなわち、1つの画素センサ72が検出する波長帯域と、1つの光学フィルタ84が透過する光の波長帯域とが、1対1に対応している。あるいは、各画素センサ72と各光学フィルタ84とは、多対1の対応であっても良い。すなわち、1つの光学フィルタ84が透過する光の波長帯域が、複数個の画素センサ72が検出する波長帯域を含むようにしても良い。第2実施形態で図16Cを用いて説明したような効果を奏するので、多対1の対応とした方が望ましい。
また、図28に示すように、光検出器16は、各画素センサ72の露光時間を変更する各画素露光時間調整機能部74と、各画素センサ72の感度を変更する各画素感度調整機能部76と、の少なくとも一方を備える。さらに、プロセッサ部22の制御部46が備える可変量設定部66は、光検出器16の各画素センサ72の露光時間または感度を設定する光検出器設定部92と、光源部14の1個の光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度の設定を行う光量設定部94と、を有する。
以下、本第4実施形態に係る形状演算装置10のプロセッサ部22の動作を、図29のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートは、最初は光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度の設定で対応し、必要に応じて各画素センサ72の露光時間または感度の設定で対応する場合の例を示している。変更方法の順序は、これとは反対であっても、すなわち、最初は各画素センサ72の露光時間または感度の設定で対応し、必要に応じて光源30の光強度または光学フィルタ84の光源光路上の通過速度の設定で対応するようにしても良いことは勿論である。
入力部44が入力機器60から曲率導出開始信号を受信すると、このフローチャートの動作が開始される。ここで、ステップS101の初期設定と、ステップS301、ステップS103、ステップS104、及びステップS302でなるルーチンAとは、第3実施形態と同様である。すなわち、曲率演算に使用する光量情報のうち上限閾値を超えたものが有った場合、ステップS302において、可変量設定部66の光量設定部94は、その上限閾値を超えた波長周辺の光を透過する光学フィルタ84が光源30の光路上に存在するとき、光源30の光量を低くする設定変更を行う。あるいは、光量設定部94は、その上限閾値を超えた波長周辺の光を透過する光学フィルタ84が光源30の光路上に存在する時間を短くすることで、光導通部材24に入射されるその波長の波長帯域の光の光量を低くする設定変更を行う。
これに対して、第3実施形態で説明したようなステップS301、ステップS103、ステップS104、ステップS106、及びステップS303でなるルーチンBでは、ステップS106とステップS303との間に、1つステップが挿入されている。すなわち、ステップS106において、判定部64が、図30Aに示すように、曲率演算に使用する光量情報のうち下限閾値を下回ったもの(例えば光量情報Dλb)が有ったと判定した場合、本実施形態では、制御部46の判定部64は、さらに、図30Bに示すように、その下限閾値を下回った波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)に関して設定されている光源30の光量が光量リミットを超えているか否かを判定する(ステップS401)。この光量リミットの値は、例えば、光源30の最大光量から、ステップS303で大きくされる1回分の光量増大値を差し引いた値である。つまり、このステップS401では、今現在の光量が、未だ光源30の最大光量には達していないが、もう1段階光量を増やそうとすると最大光量を超えしまう値に設定されているか否かを判定するものである。そして、このステップS401において、判定部64が、光量が光量リミットを超えていないと判定したならば、ステップS303に進み、可変量設定部66の光量設定部94は、光量情報が下限閾値を下回った波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在するとき、光源30の光量を大きくする設定変更を行う。
あるいは、ステップS303において、可変量設定部66の光量設定部94は、その下限閾値を下回った波長周辺の光を透過する光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に存在する時間を長くすることで、光導通部材24に入射されるその波長の波長帯域の光の光量を大きくする設定変更を行う。但しこの場合には、ステップS401では、光源30の光量が光量リミットを超えているか否かを判定するのではなく、当該光学フィルタ84(例えば第2の光学フィルタ84-2)が光源30の光路上に留まり得る時間リミットを超えているか否かを判定することになる。
一方、上記ステップS401において、判定部64が、光量が光量リミットを超えていない(または滞在時間が時間リミットを超えていない)と判定したならば、第2実施形態で説明したようなステップS202の動作が行われる。すなわち、可変量設定部66の光検出器設定部92は、図30Bに示すように、当該波長の波長帯域に対応する光学フィルタ(例えば第2の光学フィルタ84-2)に対応する複数の画素センサ72の露光時間を長くする設定変更を行う。すなわち、可変量設定部66は、光量情報が下限閾値を下回った波長とその周辺の波長帯域を測定する複数個の画素センサ72の露光時間の設定を、それら画素センサ72の検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素露光時間調整機能部74へ送信する。そして、動作は、上記ステップS301の処理に戻る。
また、ステップS202においては、露光時間を長くするのではなく、感度を上げるものであっても良いことは勿論である。すなわち、可変量設定部66の光検出器設定部92は、光量情報が下限閾値を下回った波長の波長帯域に対応する光学フィルタ(例えば第2の光学フィルタ84-2)に対応する複数の画素センサ72の感度の設定を、それらの画素センサ72の検出信号が大きくなるように変更するための設定情報を、光検出器駆動部50を通じて各画素感度調整機能部76へ送信するようにしても良い。
なお、図30Bでは、画素センサ72と光学フィルタ84とが多対1の対応を持つ場合で説明したが、1対1の対応であっても良いことは勿論である。
このようにして、ステップS301、ステップS103、ステップS104、ステップS106、ステップS401、及びステップS202でなるルーチンDが繰り返されることができる。すなわち、設定変更後も下限閾値を下回る際は、光検出器16の検出信号が更に大きくなるように、光検出器16の各画素露光時間調整機能部74または各画素感度調整機能部76の設定が、光検出器駆動部50を通じて変更される。これにより、図30Cに示すように、下限閾値を下回っていた光量情報が下限閾値よりも大きくなる。
そして、以上のようなルーチンAまたはルーチンBまたはルーチンCまたはルーチンDの実行中に、入力部44が入力機器60から曲率導出終了信号を受信すると(ステップS420)、このフローチャートの処理が終了される。
以上のように、本第4実施形態に係る形状演算装置10は、センサ部12に入力される光の強度、及びセンサ部12から出力された光に基づき光検出器16によって生成される電気信号である光検出器16の検出信号、の二つのダイナミックレンジを変更する制御部(分解能向上機能)を備える。よって、ダイナミックレンジの変更の方法の二つ以上を組み合わせた変更を行うことができる。
なお、第1乃至第4実施形態に係る形状演算装置10は、内視鏡に搭載することができる。本明細書において、内視鏡とは、医療用内視鏡及び工業用内視鏡に限定するものではなく、被挿入体に挿入される挿入部を備える機器一般を指している。
以下、内視鏡として医療用内視鏡を例に説明する。
例えば、図31は、本実施形態に係る形状演算装置10の光導通部材24を、構造体としての内視鏡の挿入部96に沿って設置した内視鏡システムを示している。この内視鏡システムは、観察対象物である被検体(例えば体腔(管腔))内に挿入される構造体である細長い挿入部96と、該挿入部96の基端部と連結した操作部98と、接続ケーブル100と、が配設される内視鏡を含む。さらに、内視鏡システムは、内視鏡を制御するコントローラ102を含んでいる。
例えば、図31は、本実施形態に係る形状演算装置10の光導通部材24を、構造体としての内視鏡の挿入部96に沿って設置した内視鏡システムを示している。この内視鏡システムは、観察対象物である被検体(例えば体腔(管腔))内に挿入される構造体である細長い挿入部96と、該挿入部96の基端部と連結した操作部98と、接続ケーブル100と、が配設される内視鏡を含む。さらに、内視鏡システムは、内視鏡を制御するコントローラ102を含んでいる。
ここで、挿入部96は、挿入部96の先端部側から基端部側に向かって、先端硬質部と、湾曲する操作湾曲部と、可撓管部と、を有している。先端硬質部は、挿入部96の先端部であり、硬い部材となっている。この先端硬質部には、図示しない撮像部が設けられている。
操作湾曲部は、操作部98に設けられた湾曲操作ノブの内視鏡オペレータ(医師らの作業者)による操作に応じて、所望の方向に湾曲する。オペレータは、この湾曲操作ノブを操作することで、操作湾曲部を湾曲させる。この操作湾曲部の湾曲により、先端硬質部の位置と向きが変えられ、観察対象物が撮像部の撮像範囲である観察視野内に捉えられる。こうして捉えられた観察対象物に対し、先端硬質部に設けられた図示しない照明窓から照明光が照射されて、観察対象物が照明させる。操作湾曲部は、図示しない複数個の節輪が挿入部96の長手方向に沿って連結されることにより、構成される。節輪同士が互いに対して回動することで、操作湾曲部は湾曲する。
可撓管部は、所望な可撓性を有しており、外力によって曲がる。可撓管部は、操作部98から延出されている管状部材である。
接続ケーブル100は、操作部98とコントローラ102との間を接続している。
コントローラ102は、内視鏡の撮像部により撮像された観察画像に対して画像処理を施し、図示しない表示部に画像処理された観察画像を表示させる。そして、本実施形態では、図31に示すように、このコントローラ102に、形状演算装置10の光源部14、光検出器16、光分岐部18、及びプロセッサ部22を内蔵させ、光導通部材24を、このコントローラ102から接続ケーブル100及び操作部98内を経由して、挿入部96の長手軸方向に沿って延在配置する。反射部材28は、挿入部96の先端硬質部内に設ける。この場合、複数の被検出部26は、光導通部材24の内、挿入部96の操作湾曲部及び可撓管部内に対応する位置に設けられる。
なお、構造体は、この内視鏡に限定するものではなく、各種プローブ、カテーテル、オーバーシース(内視鏡やカテーテル等を挿入する際の補助に使う管)、などであっても良い。
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
10…形状演算装置、 12…センサ部、 14…光源部、 16…光検出器、 18…光分岐部、 20…反射防止部材、 22…プロセッサ部、 24…光導通部材、 26,26-1,26-2,26-n…被検出部、 28…反射部材、 30,30-1,30-2,30-n…光源、 32…光結合部、 34-1,34-2,34-n…光学フィルタ、 44…入力部、 46…制御部、 48…光源駆動部、 50…光検出器駆動部、 52…出力部、 54…記憶部、 56…曲率演算部、 58…形状演算部、 60…入力機器、 62…表示部、 64…判定部、 66…可変量設定部、 68,68-1,68-2,68-n…電流調整機能部、 70…ラインセンサ、 72,72a,72b,72b-1,72b+1…画素センサ、 74…画素露光時間調整機能部、 76…画素感度調整機能部、 78…可動式光学フィルタ、 80…回転板、 82…回転軸、 84,84-1,84-2,84-3,84-n…光学フィルタ、 86…アクチュエータ、 88…回転量測定器、 90…光検出器、 92…光検出器設定部、 94…光量設定部、 96…挿入部、 98…操作部、 100…接続ケーブル、 102…コントローラ。
Claims (26)
- 複数の被検出部各々に応じた波長について検出される光量が前記複数の被検出部の各々の形状に応じて異なるように構成されたセンサを用いて取得された前記波長と前記光量との関係である光量情報を検出する光検出器と、
前記光量情報に基づき前記複数の被検出部の各々の形状に関わる演算を行う演算部と、
前記センサに入力される光の強度、及び前記センサから出力された光に基づき前記光検出器によって生成される電気信号、のうち少なくとも一方のダイナミックレンジを、所定の波長帯域毎に変更する制御部と、
を備える形状演算装置。 - 互いに独立して、射出する光の光強度を変更可能な複数の光源をさらに備え、
前記制御部は、前記複数の光源の光強度を変更することで、前記センサに入力される光の強度のダイナミックレンジを変更する請求項1に記載の形状演算装置。 - 前記複数の光源は、光の周波数スペクトルが互いに異なる請求項2に記載の形状演算装置。
- 前記複数の光源は、レーザ光源を少なくとも1つ含む請求項3に記載の形状演算装置。
- 前記複数の光源は、波長帯域毎に光量の強度を変更する強度変更部を有している請求項3に記載の形状演算装置。
- 前記強度変更部は、光学フィルタである請求項5に記載の形状演算装置。
- 前記複数の光源は、形状推定に使用する波長領域全体を網羅できるよう光の周波数スペクトルが異なっている請求項3に記載の形状演算装置。
- 前記強度変更部は、形状推定に使用する波長領域全体を網羅できるよう光の周波数スペクトルが異なっている請求項5に記載の形状演算装置。
- 前記複数の光源は、形状推定に使用する複数の光の周波数の光強度を十分に変更できるよう光の周波数スペクトルが異なっている請求項3に記載の形状演算装置。
- 前記強度変更部は、形状推定に使用する複数の光の周波数の光強度を十分に変更できるよう光の周波数スペクトルが異なっている請求項5に記載の形状演算装置。
- 前記光学フィルタの吸光度は、前記センサの被検出部に用いている吸光度と同じである請求項6に記載の形状演算装置。
- 前記強度変更部は、前記複数の光源から前記センサに向かう光路上に配置される請求項5に記載の形状演算装置。
- 前記光検出器は、それぞれ異なる波長の光量を測定する複数の画素センサを有し、
前記制御部は、前記複数の画素センサの露光時間または感度を変更することで、前記電気信号のダイナミックレンジを前記所定の波長帯域毎に変更する請求項1に記載の形状演算装置。 - 前記制御部は、前記光検出器の測定結果が、設定された上限閾値と下限閾値との間に収まるよう、前記画素センサ毎に、前記露光時間または前記感度を変更する請求項13に記載の形状演算装置。
- 前記制御部は、前記上限閾値を超えた波長または前記下限閾値を下回った波長に対応する画素センサと、当該波長周辺の波長に対応する画素センサの、前記露光時間または前記感度を変更する請求項14に記載の形状演算装置。
- 前記画素センサ毎に、設定可能な露光時間の上限時間が有り、
前記制御部は、前記上限時間以上の露光時間の変更を行わない請求項13に記載の形状演算装置。 - 前記光検出器は、それぞれ異なる波長の光量を測定する複数の画素センサを有し、
前記制御部は、前記画素センサ毎に、測定結果の合算回数を変更することで、前記電気信号のダイナミックレンジを前記所定の波長帯域毎に変更する請求項1に記載の形状演算装置。 - 互いに異なる波長の光を透過する複数の光学フィルタが搭載された可動式光学フィルタをさらに備える請求項1に記載の形状演算装置。
- 前記可動式光学フィルタは、回転軸を有している回転式可動光学フィルタである請求項18に記載の形状演算装置。
- 光を射出する光源をさらに備え、
前記制御部は、前記光源から前記センサに向かう光路上に配置されている前記光学フィルタ毎に、前記光源の光強度を変更することで、前記センサに入力される光の強度のダイナミックレンジを前記所定の波長帯域毎に変更する請求項18に記載の形状演算装置。 - 前記可動式光学フィルタを駆動するアクチュエータをさらに備え、
前記制御部は、前記可動式光学フィルタに搭載されている光学フィルタ毎に異なる速度で駆動するよう前記アクチュエータを制御することで、前記センサに入力される光の強度のダイナミックレンジを変更する請求項18に記載の形状演算装置。 - 前記制御部は、前記ダイナミックレンジの変更の方法の二つ以上を組み合わせた変更を行う請求項2、13、17、20及び21の何れかに記載の形状演算装置。
- 前記制御部は、前記光検出器の測定結果が上限閾値を超えた際または下限閾値を下回った際に、前記ダイナミックレンジの変更を行う請求項1、2、13、17、20及び21の何れかに記載の形状演算装置。
- 前記制御部は、前記光検出器の測定結果が一定になるように、前記ダイナミックレンジの変更を行う請求項1、2、13、17、20及び21の何れかに記載の形状演算装置。
- 光を射出する1つまたは複数の光源を含む光源部と、
前記センサと、
をさらに備え、
前記センサは、
前記光源部から射出された前記光を導光する導光部材と、
前記導光部材に設けられた複数の光学特性変化部材であって前記導光部材によって導光される光のスペクトルに対して互いに異なる影響を与える複数の光学特性変化部材の各々を含む複数の前記被検出部と、
を含み、
前記光検出器は、前記導光部材によって導光される光であって、前記複数の光学特性変化部材によって影響を受けた光を検出し、前記光量情報を出力する請求項1乃至22の何れかに記載の形状演算装置。 - 被検体に挿入される挿入部を備える内視鏡と、
前記内視鏡に接続されたコントローラと、
請求項25に記載の形状演算装置と、
を備え、
前記形状演算装置の前記センサの前記導光部材は、前記内視鏡の前記挿入部に設けられ、
前記形状演算装置の前記演算部は、前記コントローラに設けられ、前記光量情報に基づいて前記内視鏡の前記挿入部の形状を算出する内視鏡システム。
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